첨단 HBM에서 왜 SK하이닉스는 승자가 되었나

첨단 HBM에서 왜 SK하이닉스는 승자가 되었나

■ AI 반도체에 사용되는 CoWoS 패키지
반도체는 칩 설계, 칩을 실리콘 웨이퍼 상에 만드는 전 공정, 칩을 웨이퍼에서 꺼내 패키지하는 후 공정 등 3단계로 만들어졌다.

여기서 AI 반도체에 대해서는 팹리스 엔비디아나 AMD가 설계를 하고 원래대로라면 전 공정만 하는 파운드리 TSMC가 후 공정도 하고 있다. 그리고, 엔비디아의 GPU등의 AI 반도체는, 「CoWoS(Chip-on-Wafer-on-Substrate)」라고 하는 패키지로 만들어진다.

이 CoWoS를 더 자세하게 살펴본다. 우선 실리콘 웨이퍼에서 꺼낸 각형의 인터포저 위에 GPU, CPU 및 DRAM을 적층한 HBM 등이 설치된다. 이 단계가, 「CoW(Chip-on-Wafer)」이다.

다음으로, 각종 칩이 배치된 실리콘 인터포저를 패키지 기판(Substrate)에 접합한다. 이 단계가 「WoS(Wafer-on-Substrate)」이다.

이와 같이, 패키지를, CoWoS(Chip-on-Wafer-on-Substrate)라고 부르고 있다. 그러면, CoWoS 및 CoWoS와 유사한 패키지에 대해서, 어디가, 어느 정도의 제조 능력을 가지고 있는가.

■ 기업별 CoWoS 제조 능력
2023년부터 2025년에 걸친 기업별 CoWoS 및 CoWoS와 유사한 패키지의 제조능력을 나타낸다. 단위는, 1년간 당 실리콘 웨이퍼 환산으로 1000매(K매)로 했다.

2025년의 예측치로 비교하면 TSMC가 690K 웨이퍼/년, 후공정 전문 반도체 제조업체 OSAT(Outsourced Semiconductor Assembly and Test)의 ASE가 80K 웨이퍼/년(동업의 OSAT의 SPIL을 산하로 둔다), 마찬가지로 OSAT의 Amkor가 67.2K 웨이퍼/년이 되었다.

한편, CoWoS와 완전히 같지는 않지만, CoWoS와 유사한 패키지를 인텔과 삼성도 개발하고 있다. 그런데 2025년 제조능력은 인텔이 10K 웨이퍼/년, 삼성이 1K 웨이퍼/년밖에 안된다. 요컨대, CoWoS와 유사한 패키지에 대해서, 인텔도 삼성도 전혀 경쟁력이 없다.

반면 TSMC는 CoWoS 제조능력에서 2023년 79.1%, 2024년 77.6%, 2025년 81.3%의 점유율을 갖는다. 즉 엔비디아의 GPU를 비롯한 AI 반도체 대부분이 TSMC의 CoWoS 패키지로 만들어지고 있는 셈이다. 즉 AI 반도체에서 TSMC가 승자가 되었다고 하는 것은 이런 사정 때문이다.

그럼, 마지막으로, 엔비디아의 GPU등의 AI 반도체에 필요한 광대역 메모리(HBM)에 대해 살펴보자.

■ 첨단 HBM SK하이닉스 독점
2024년 3월 20일 블룸버그(Bloomberg)의 보도에 따르면 HBM의 시장점유율은 SK하이닉스 54%, 삼성 41%, 미국 마이크론 테크놀로지(Micron Technology) 5%라고 한다. 그러나, 이 점유율은 실태를 나타내고 있다고는 말하기 어렵다.

2016년경부터 개발이 시작된 HBM은 세대를 거듭할수록 D램 적층수를 증대시켜 왔다. 그 적층수는, HBM1에서는 4층, HBM2와 HBM2E에서는 8층, 생성 AI 시대를 맞이했을 때에 필요한 HBM3와 HBM3E에서는 12층이 되었다. 게다가 차세대의 HBM4에서는 16층이 될 것으로 예측하고 있다.

그리고 HBM3 이후로는 SK하이닉스가 시장을 거의 독점하고 있다. 그리고, 마이크론은 엔비디아의 승인을 받는 데 성공했지만, 삼성은 승인을 받지 못하고 있다.

즉, 현시점에서는, 기술도 시장점유율도, SK 하이닉스가 크게 앞서고 있다. 그리고 첨단 HBM 부족을 해소하기 위해 엔비디아, TSMC, 그리고 SK하이닉스 3사가 공동개발을 하고 있다. 메모리 메이커가 제조한 HBM은, 그 대부분이 TSMC로 보내, CoWoS 패키지에 편입된다. 그런 TSMC와 공동개발하게 된 SK하이닉스는 보다 유리한 고지에 올랐다고 할 수 있다.

HBM을 포함한 모든 D램의 매출 점유율을 봐도 SK하이닉스의 약진이 엿보인다. 2022년 Q4에 23.1%였던 SK하이닉스의 점유율은 이후 급증해 가장 최근인 2024년 Q3에는 34.4%를 기록했다. 선두의 삼성은 점유율이 하락하고 있어(41.1%), SK 하이닉스와의 차이는 6.7%가 되었다. 이러다간 SK하이닉스가 삼성을 제칠 수도 있다.

■ AI 반도체 2라운드는 어떻게 되나?　
지금까지 AI 반도체 1라운드 승자가 엔비디아, TSMC, SK하이닉스임을 확인할  수 있다. AI 반도체의 경쟁은 향후도 계속되겠지만, 제2 라운드는 어떻게 전개될까.

우선, AI 반도체에 대해서는, 결코 엔비디아는 안전하지 않다는 것은, 클라우드 메이커의 구글(Google)이나 아마존(Amazon)이, 독자적인 AI 반도체를 설계해, 그 AI 반도체가 탑재된 AI 서버를 데이터 센터를 세우기 시작하고 있기 때문이다.

2024년 전망치로는 엔비디아의 GPU가 탑재된 AI 서버가 33.6만대인 반면 구글이 자체 설계한 AI 반도체(Tensor Processing Unit, TPU)를 탑재한 AI 서버가 13.8만대가 될 전망이다. 이는 엔비디아 GPU가 탑재된 AI 서버의 41%에 해당한다.

즉 엔비디아에게 구글과 아마존은 고객이기도 하지만 경쟁자가 되기 시작했다는 것이다. 게다가 만만치 않은 라이벌이다.

한편 엔비디아의 GPU뿐 아니라 구글과 아마존이 설계한 AI 반도체도 모두 TSMC의 CoWoS 패키지로 제조하고 있다. 그리고 앞으로 TSMC를 대체할 만한 반도체 업체가 나오는 것은 생각하기 어렵기 때문에 TSMC 최강의 시대가 이어질 수도 있다.

그리고 광대역 메모리 HBM에 있어서는, SK하이닉스의 우위는 당분간 계속 될 것으로 보인다. 그러나 삼성이나 마이크론이 가만히 있을 리 없고, 머지않아 3사의 3파전 경쟁이 전개될 것이다.

마지막으로 위와 같은 AI 반도체의 향방을 알기 어렵게 만들고 있는 것이 2025년 1월 20일 미국 대통령에게 돌아오는 트럼프의 정책이다. 1차 트럼프 행정부 때도 그랬지만 트럼프의 언행은 예측할 수가 없다. 어떤 과격한 대중(對中)정책을 내놓을지 알수가 없다는 것이다.

이미 트럼프는, 「블룸버그 비즈니스 위크」의 인터뷰에서 7월 10일, 「대만은 우리로부터 반도체 비즈니스를 빼앗았다」라고 말했다(BUSINESS INSIDER, 7월 25일). 또, 트럼프는, 바이든 정권이 2022년에 시행한 「CHIPS법」을 강하게 비난하고 있으며, 보조금이나 세액 공제가 아니라, 관세에 의해 미국내에 반도체 공장 건설을 앞당겨야 한다고 주장하고 있다.

무슨 일이 일어날지 모르는 '트럼프 쇼크'로 인해 AI 반도체 2라운드에 큰 파장을 몰고 올 수도 있다. 

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